汽车发动机活塞环的技术现状和发展

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的疲劳强度。当然．通过表面镀层和表面处理的效果可部分地缩小铸铁和钢之间动态强度的差异。试验表明．通过附加的化学处理（ｃＰＳ法）可使氮化钢活塞环的动态强度提高大约３０％。

首先应用含铬量为１３％或１８％的高铬马氏体钢，这种材料通过生成精细分布的铬碳化物和附加生成的渗氮层使表面层硬度明显提高．从而获得良好的耐磨性。如果要使用调质处理的ｃ卜ｓｉｌ氐合金钢的话．则环工作表面镀层是必需的。

在最近１５年内，全世界汽油机第１道压缩环都由铸铁环改用钢环．其中特别是欧洲和日本偏爱于氮化钢环（表２）。在汽油机高转速的使用条件下．现在轴向高度低的第１道钢环已成为标准零件，在此期间开发的发动机的第１道环超过９０％采用氮化钢环，而第２道环大多数采用成本较低的铸铁环，并根据各自的功能要求选择相应的结构型式和工作表面涂层。

在欧洲轿车柴油机，即升功率大于５０ｋｗ／Ｉ的高负荷发动机上，第１道压缩环必须使用牌号为５２／５６的球墨铸铁，第２道环采用牌号为３２的调质耐磨灰铸铁（表３）。通过采用强化的球墨铸铁（ＧＯＥ５６）或含铬１８％铬钢来改善活塞环侧面特别是上侧面的耐磨性。当然，特别是在环轴向高度低的情况下，钢环包含着环槽磨损增大的风险．但是在每种情况下槽和环侧面总磨损量的差异并不大。

在柴油机上．由于活塞环的轴向高度较高，其材料向钢变化的倾向并不明显。这一方面是因为铸铁环和环槽镶圈材料之间的材料配对非常好，另一方面是因为铸铁材料具有非常良好的加工性。

原则上，商用车柴油机第１道压缩环使用球墨铸铁已有非常丰富的经验．这从球墨铸铁环在欧洲柴油机上占有很高的分额就反映出来了（表３）。但是．自从上世纪６０年代以来．具有非常低轴向磨损的含铬１８％铬钢镀层压缩环在商用车柴油机上的应用也具有相当丰富的批量生产使用经验。此外，随着气缸爆发压力明显超过２０ＭＰａ，可望钢活塞环的应用会有所增长。

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２．活塞环的结构型式

汽车汽油机第１道活塞环１ＯＯ％采用矩

形环，其工作表面根据有关机油耗和曲轴

箱通风方面的要求，采用对称球形、单边

球形或锥形。大约３０％的欧洲轿车汽油

机．为了改善机油消耗，工作表面不是

带有单边鼓形度就是带有锥度。

轿车柴油机大部分第１道活塞环同样

也采用矩形环。在最近２５年内．轿车柴

油机第１道活塞环采用双梯形环的份额稳

定在大约３０％。随着气缸直径的增大．

由于燃烧侧的影响．双梯形环的份额也

随之增加（图２）。

３．活塞环的轴向高度

在最近２０年过程中．全世界汽油机第１

道压缩环明显趋向于低轴向高度（图３）。

由于发动机转速的提高和由此而导致的

活塞质量的减轻或尺寸的缩小，活塞环

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的。原则上．这种主要在铬氮（ｃｒＮ）基础上形成的镀层的性能特点是１８００和２０００ＨＶ之间极高的硬度、低的摩擦系数和陶瓷结晶体组织，因此这种ｃｒＮ镀层显现出了低的磨损率和高的化学稳定性。但是。由于这种从称之为簿层技术衍生而来的镀层工艺．使得ＰＶＤ镀层在活塞环上的应用受到了限制。已经发现．在镀层厚度超过５０ｕｍ的情况下．由于极高的镀层内应力，出现了镀层的附着和裂纹问题。要解决这些难点要求用钢作为ＰＶＤ镀层活塞环的基体材料．同时为了减少镀层与活塞环基体材料之间的内应力，活塞环基体材料应进行氮化。通常．用于汽油机时的镀层厚度为１０～１５“ｍ，而在柴油机上．由于引起磨损的负荷较高，镀层厚度选用３０～５０ｕｍ为宜。

５．镀层的性能和市场展望

图６表示镀层相对耐磨性的比较。ＧＤｃ工作表面镀层的磨损率是迄今为止最低的。特别是对柴油机而言，热负荷承载能力／抗烧损能力是必需的，而铬氮和氮化钢环不能满足现代柴油机的要求，因此通常不使用。高负荷承载能力镀层的试验表明．在目前典型的发动机应用中没有明显的差异．仍然能根据所能达到的极限负荷来作出有关镀层热负荷承载能力的结论。ｃＫｓ镀层满足了目前批量生产的要求．并能通过ＧＤｃ来扩大其应用范围。ＭＫ—Ｊｅｔ和ＰＶＤ性能处于镀层分级的上好水平。

氮化钢环自从在欧洲汽油机上使用以来．在上世纪９０年代初期是确保功能的非常可靠的零件。通过用ｃＫｓ或ＰＶＤ方法附加镀层有可能提高到所要求的抗烧损能力。

为了在柴油机上的应用．很早期就已采用的措施仍是必要的，以便达到所要求的耐磨性和抗烧损可靠性。在上世纪９０年代初，继续推广应用的铬镀层已达到了热负荷承载能力的极限。虽然等离子镀层具有抗烧损能力，但是却引起了明显的气缸套镜面的楔形磨损，而ｃＫｓ镀层的开发成功使抗烧损可靠性得

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到了大幅度的提高。即使升功率不断地

提高，用这种镀层至今仍能在保持低的

气缸套磨损的同时，继续确保必要的抗

烧损可靠性。铬金刚石镀层ＧＤｃ使活塞环

工作表面电化学镀层的应用范围得以扩

大。以满足未来期望功率进一步提高的

需要（图７、图８）。

活塞环工作表面的设计

特别是第一道活塞环工作表面的设计

在柴油机上越来越重要。第一道活塞环

工作表面采用单边鼓形设计已经有２０多

年，对欧洲柴油机而言已是一种标准设

计。下工作边旁的微小鼓形度在功能上

起着重要的作用，同时对大量生产的现

代制造技术提出了极高的要求。

为了获得最佳的刮油性能，一流的活

塞环工作表面设计应带有尽可能尖锐的

下工作棱边。与不加工的倒圆的工作边

相比，采用尖锐的基体材料工作棱边的

活塞环设计能改善机油耗，最大可达到

６０％。

贴合能力

弹簧涨紧的刮油环的贴合能力取决于

其横截面和所调整的切向力，而常规的

等宽单体压缩环的贴合能力的额定值则

首先决定于开口宽度。在一定的几何尺

寸下，无论是装配应力还是弹性应力都

是由开口宽度产生的，因此由合适的应

力状况和可装配性为贴合能力确定了相

对窄的范围。

单体环的贴合能力在整个圆周上是

不均匀的，特别是在环开口对面达到最

大值。由于在开口端部没有弯曲力矩，

因此该处的贴合能力降至零。图９表示出

常规活塞环和一种ＦＯ（形状优化）环在整

个圆周上贴合能力的比较。图１０所示的

ＦＯ环通过靠近开口处径向宽度的可变设

计得到了形状优化的活塞环．从而改善

了活塞环的局部弯曲能力和对气缸不均

匀变形的适应能力。

迄今为止在汽油机和柴油机上的试

验结果已证实了降低机油耗的巨大潜力。

为了换用ＦＯ环方案，开发了一种全新的

制造方法．并于２００５年第一季度首次大

量生产装用ＦＯ活塞环。

活塞环侧面的强化

新一代发动机的要求使得侧面强化

成为活塞环磨损或材料协调性的基础。

氮化钢环的应用不总是能设法得到补救

的。侧面镀铬在重型发动机上已很好地

证实了其可靠性。开发了一种新的镀层

方法使得矩形和梯形环侧面的镀铬层厚

度最大可达到１０“ｍ．同时能取消传统工

艺过程中所必需的昂贵的精加工。按

“闪光镀铬技术”（”叭ｔｚｃｈｒｏｍｔｅｃｈｎｋ，，）

制造的活塞环，在２００５年开始在商用车

发动机上使用。

不久的将来，发动机的机械负荷和

热负荷还要进一步提高．要求活塞环的

产品和工艺进一步的创新．活塞环基础

材料的强度和耐磨性也需要进一步开发。

未来柴油机第一道压缩环．除了应用铸

铁材料之外．钢材料也将得到应用。

目前能选用的电化学镀层、热喷镀

镀层和ＰＶＤ镀层等，在原则上尚未达到其

使用极限，应根据活塞环的使用条件采

用不同的解决方案。

为了满足低机油耗和曲轴箱通风提

出的要求．应采用具有最佳几何形状的

活塞环，例如最合适的工作表面或形状

优化的ＦＯ活塞环。Ａ”

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